Ein Atom wird zum Lichtschalter

Auf dem Weg zum Photonen-Rechner: Lichtquanten können ihresgleichen kontrollieren und auch steuern. Einzelne Atome helfen ihnen dabei und werden plötzlich unsichtbar.

Von Rainer Scharf

Seit seiner Erfindung vor 50 Jahren hat der Laser viele Früchte in Wissenschaft und Technik hervorgebracht. So haben Laserstrahlen die schnelle Übertragung von Daten ermöglicht und die Telekommunikation revolutioniert und dadurch das Internet erst so richtig in Schwung gebracht. Da optisch übermittelte Daten bislang allerdings nur elektronisch verarbeitet werden können, müssen sie aufwendig in elektrische Impulse umgewandelt werden. Weitaus schneller wäre eine rein auf optische Signale basierende Datenverarbeitung. Dazu müsste man allerdings Licht mit Licht steuern können. Doch Lichtstrahlen beeinflussen sich normalerweise nicht, selbst wenn sie sich kreuzen - es sei denn, einer der Strahlen ist so hell, dass er die optischen Eigenschaften des Mediums ändert, indem er sich ausbreitet. Solche nichtlinearen optischen Effekte könnte man dazu nutzen, neuartige Schalter für optische Signale zu bauen. Mit ihnen ließen sich dann optische Computer bestücken, die ausschließlich Lichtsignale verarbeiteten. Physiker vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München sind diesem Ziel nun einen großen Schritt näher gekommen.

Der Lichtschalter, den die Forscher um Gerhard Rempe entwickelt haben, besteht aus einem Hohlraumresonator, der von zwei einander zugewandten Spiegeln begrenzt wird. In den 0,5 Millimeter langen Hohlraum brachten sie eine kleine Zahl von Rubidiumatomen, die das optische Medium bildeten. Eine stehende Lichtwelle hielt die Atome fest, wobei sie wie Perlen in einer Kette entlang der Resonatorachse aufgereiht waren. Im Mittel befanden sich fünfzehn Atome im Hohlraum. Die Teilchen wurden dann zwei schwachen Laserstrahlen - einem Signal- und einem Steuerstrahl - ausgesetzt, die es miteinander zu koppeln galt. Dazu verwendeten die Forscher einen nichtlinearen Effekt, die sogenannte elektromagnetisch induzierte Transparenz.

Bei diesem Effekt wird eine Substanz, die für einen Laserstrahl zunächst undurchlässig ist, transparent, sobald sie von einem zweiten, andersfarbigen Laserstrahl beleuchtet wird. Damit kann man eine Lichtwelle in einem Medium festhalten und gewissermaßen auf Knopfdruck wieder freilassen. Bisher konnte man die elektromagnetisch induzierte Transparenz nur mit intensivem Licht und an Materialproben aus einer großen Zahl von Atomen hervorrufen. Die Physiker um Rempe haben den optischen Effekt jetzt an wenigen Rubidiumatomen und zwei extrem schwachen Lichtstrahlen beobachten können, wie sie in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Nature" berichten.

Bei ihrem Experiment ließen die Forscher zunächst den "Signalstrahl" durch einen der beiden lichtdurchlässigen Spiegel in den Hohlraum treten. Dort wurde er viele Tausend Mal hin und her reflektiert, wodurch er immer wieder auf die aufgereihten Rubidiumatome traf und diese schließlich anregte. Die Folge war, dass der Signalstrahl nicht mehr aus dem Resonator entweichen konnte und gefangen war. Dann strahlten die Forscher den "Steuerstrahl" ein. Dieser verhinderte, dass die Atome weiterhin vom Signalstrahl angeregt werden konnten. Daraufhin kam es zur induzierten Transparenz: Die Atome ließen den Signalstrahl nun anders als zuvor ungehindert passieren, so dass er aus dem Hohlraum entweichen konnte. Ein Photodetektor registrierte die austretenden Photonen.

Die Forscher prüften anschließend, wie viele Atome man für die induzierte Transparenz benötigt. Dazu verringerten sie die Zahl der Atome im Hohlraum schrittweise, bis sich nur noch ein einziges Rubidiumatom zwischen den Spiegeln aufhielt. Dieses blockierte den Signalstrahl allerdings nicht vollständig. Der größte Teil, etwa 80 Prozent des Lichts, konnte aus dem Resonator entkommen. Als die Forscher den Steuerstrahl einschalteten, ließ das Atom schließlich rund 95 Prozent des Signalstrahls passieren. Offenkundig kann bereits ein einzelnes Atom die elektromagnetisch induzierte Transmission hervorrufen und als eine Art Schalter fungieren. Dabei entschieden letztlich einzelne Photonen des Steuerstrahls darüber, ob ein Photon des Signalstrahls den Hohlraum passieren konnte oder nicht. Die Forscher sind zuversichtlich, den mit einem Atom erreichten Helligkeitsunterschied von 15 Prozent dadurch erhöhen zu können, dass sie die Wechselwirkung zwischen dem Atom und dem Signalstrahl stärker machen.

Die Experimente eröffnen neue Möglichkeiten, Erzeugung, Ausbreitung und Absorption von Licht auf der Ebene einzelner Photonen zu steuern und zu kontrollieren. Es sollte somit sogar möglich sein, Lichtwellen statt in großen Atomensembles auch in wenigen Atomen zu speichern. Dadurch könnte man eine bestimmte Anzahl von Photonen aus einer Lichtwelle herausnehmen, festhalten und schließlich weiterfliegen lassen, als sei nichts geschehen.

Text: F.A.Z., 26.05.2010, Nr. 119 / Seite N2